光刻膠涂膠厚度均勻性影響因素探究

魏 暉，熊啟龍，龔清華，李 偉，蔡 舫

(合肥清溢光電有限公司，安徽 合肥 230011)

隨著集成電路制造工藝的不斷進步，線寬不斷縮小，器件封裝體積也變得越來越小。由最開始的集成電路發(fā)展到大規(guī)模集成電路以及超大規(guī)模集成電路，直到現(xiàn)在的特大規(guī)模集成電路，器件的體積進一步減小，功能更全，性能更強[1]。這也就導(dǎo)致工藝研發(fā)各種不利因素的制約，如何進一步提高半導(dǎo)體器件的集成密度、縮小芯片的體積、在同一枚硅片上盡可能多的得到有效的芯片數(shù)，從而提高整體利益，將越來越受到芯片設(shè)計者、制造商的重視。在各種半導(dǎo)體技術(shù)中，光刻技術(shù)無疑是其中最關(guān)鍵的一環(huán)。光刻只是在半導(dǎo)體上刻出晶體管器件的結(jié)構(gòu)，以及晶體管之間連接的通路。要真正地實現(xiàn)電路，則還需要摻雜、沉積、封裝等系列芯片工藝手段[1]。在光刻中將圖形轉(zhuǎn)移到器件或者液晶基板所要使用的板即使我們常說的掩模版，掩模版的制作精度將直接影響到光刻產(chǎn)品的品質(zhì)精度。

掩模版是用于曝光工藝將其電路圖形轉(zhuǎn)移到晶圓或液晶基板上的一種模板。掩模版的質(zhì)量及圖形精度將直接影響了光刻產(chǎn)品的品質(zhì)精度。半導(dǎo)體領(lǐng)域英特爾、三星、臺積電所用掩模版均為自給自足；而顯示行業(yè)所用掩模版則由美國、日本、韓國企業(yè)控制。國內(nèi)中科院微電子所、中國電子科技集團公司第五十五研究所、深圳清溢光電等少數(shù)科研院所和企業(yè)可以制造出顯示用掩模版或高世代顯示用掩模版。掩模版涂膠經(jīng)常采用旋轉(zhuǎn)涂膠法和刮涂法2種，旋轉(zhuǎn)涂膠法為最常用的一種，它利用離心力的作用獲得所需膠厚和均勻性[2]。影響光刻膠厚度均勻性的因素有很多，如旋轉(zhuǎn)速度、光刻膠的溫度、冷板溫度及排風(fēng)壓力等。本文針對掩模版的涂膠膠厚均勻性的影響因素進行深入研究，對掩模版的涂膠生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

1 光刻工藝

1.1 光刻技術(shù)發(fā)展

大多數(shù)IC模型從電路功能的定義開始。如果一個電路的作用很多很復(fù)雜的話，就可以將它分為多個方面的子功能。二級功能塊放置在整體的布局和規(guī)劃之中，為芯片分配空間以供未來規(guī)劃。在這個階段，設(shè)計人員應(yīng)該建立芯片的高級功能作為模型，以執(zhí)行功能檢查和評估性能。然后，設(shè)計師使用客戶設(shè)計必要的軟件，并將預(yù)先設(shè)計的電路模塊組合成芯片。這些單元的布局是根據(jù)設(shè)計和之前的布局，所有的規(guī)則都具有相對應(yīng)的格式。這些規(guī)則是制造商和設(shè)計師之間的協(xié)議。對于每個布局層，布局設(shè)計規(guī)則指定了允許的最小特性大小、允許的最小空間、該層與其他層的最小覆蓋范圍以及下層圖形的最小間距。所以一定要遵守這樣的規(guī)則，制造商可以確保實現(xiàn)預(yù)期的芯片效果。設(shè)計完成后，遵循布局規(guī)則再次進行檢查，以確保符合規(guī)則。最后，根據(jù)實際布局進行仿真。如果不符合要求，有必要將設(shè)計按照約定的規(guī)則進行修改，直至符合要求為止。

在微電子的生產(chǎn)制作的工藝中，光刻是非常繁瑣，相對較難的一道流程，同時也是最為重要的一個流程。而且要想做好光刻，就需要投入更多的成本，并且其份額繼續(xù)增長。市場上比較常見的硅片加工工藝都需要20塊以上，甚至更多不同的掩模版，一些復(fù)雜的工藝可以有多達30個掩模。通常根據(jù)生產(chǎn)非常細的管線的能力來預(yù)測工藝性能。但是，評估光刻工藝的性能非常困難。制造商要求嚴格控制數(shù)千個硅芯片和硅芯片中超過10億個晶體管的關(guān)鍵尺寸。根據(jù)設(shè)備研究人員的說法，50%的硅片性能在可接受范圍內(nèi)是可以接受的。

光刻過程基本可以分為兩個階段。第一階段為通過曝光機將所需圖形轉(zhuǎn)移到硅片或者掩模版的表層光刻膠上；第二階段為顯影階段，通過顯影液與光刻膠的化學(xué)反應(yīng)使第一階段所產(chǎn)生的圖形顯現(xiàn)出來。

光刻機是集成電路制造的核心裝備，評價光刻機性能主要有三個指標。即分辨率（resolution）、套刻精度(overlay)和產(chǎn)率（throughput）。分辨率一般有兩種表示方式，分別為pitch分辨率（pitch resolution）和feature分辨率 (feature resolution)。pitch分辨率是指光刻工藝可以制作的最小周期的一半，即half-pitch(hp)。而feature分辨率是指光刻工藝可以制作的最小特征圖像的尺寸，即特征尺寸（feature size），又稱為關(guān)鍵尺寸（critical dimension，CD）.套刻精度一般指一套產(chǎn)品制定的對位坐標的位置差異，對于光刻機而言，套刻精度主要受限于對準系統(tǒng)的測量精度和工作臺/掩模臺的定位精度。產(chǎn)率一般指光刻機單位時間內(nèi)曝光的產(chǎn)品數(shù)量，通常使用每小時曝光產(chǎn)品數(shù)量（wph）表示。

1.2 光刻膠特性

光刻膠又叫光致抗蝕劑，它是由光敏化合物、基體樹脂和有機溶劑等混合而成的膠狀液體。光刻膠受到特定波長光線的作用后，導(dǎo)致其化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使光刻膠在某種特定溶液中的溶解特性改變，有正性和負性光刻膠之分[3]。正性光刻膠曝光的部分可溶解于顯影液中，負性光刻膠膠未曝光的部分可溶于顯影液中。

光刻膠的兩個最重要的特性是靈敏度和分辨率。靈敏度是指單位面積上照射的是光刻膠全部發(fā)生反應(yīng)的最小光能量或最小電荷量（對電子束光刻膠）。分辨率是指在光刻膠中再現(xiàn)的最小特性的大小。分辨率在很大程度上取決于曝光設(shè)備和光刻膠本身。

就光刻膠的性能而言，分辨率是一個很重要的衡量標準，但它在很大程度上取決于曝光設(shè)備。因此，對比度通常用于描述光刻膠的特性[3]。測量光刻膠對比度的方法是：要先在相對應(yīng)的硅片上進行光刻膠的工藝，這樣能更方便地看出光刻膠的厚度是否均一，給光刻膠一個短暫的均一曝光，然后將硅盤浸入顯影劑中固定時間，最后取硅盤，清洗并干燥，測量剩余的光刻膠厚度。如果光強度不太強，則光刻膠的厚度基本不變，光強度的劑量不斷增加，并進行重復(fù)試驗。然后，繪制出曝光能量與光刻膠厚度之間的對數(shù)曲線。該曲線有3個區(qū)域：非曝光區(qū)域，這里所有的光刻膠都基本能夠保留下來；曝光區(qū)域，在這里光刻膠都會被顯影液反應(yīng)剝離掉；在這兩個極端區(qū)域的中間區(qū)域是所謂的過渡區(qū)域。

對比度：

式中，Y為直線的斜率；

D100為所有光刻膠都被去掉時的曝光能量；

D0為開始化學(xué)反應(yīng)時曝光的最低能量。

如圖1所示，對比度是對數(shù)坐標下對比度曲線的斜率，標識光刻膠區(qū)分掩模上兩區(qū)和暗區(qū)能力的大小。即對能量變化的敏感程度。對比度曲線越陡，D0與D100的間距就越小，則Y就越大，這樣有助于得到圖形輪廓清晰和分辨率高。一般光刻膠的對比度在0.9～2.0，對于亞微米圖形，要求對比度大于1，同時正性膠的對比度高于負性膠。

圖1 對比度曲線

1.3 光刻工藝流程

光刻技術(shù)是一種將掩模圖案轉(zhuǎn)換為硅光盤表面光阻的技術(shù)。因為元件和電路設(shè)計都通過蝕刻和離子注入將光敏電阻中定義的圖案轉(zhuǎn)移到硅片表面，而光敏電阻的圖案是通過光刻技術(shù)確定的。因此，光刻在IC制造中起著非常重要的作用，如圖2所示。

圖2典型的工藝流程

圖2 顯示光刻是IC制造的核心。從硅片到芯片成品，即便最基本的芯片也需要5次光刻過程，而高端芯片更是多達30多個光刻過程。制造集成電路非常耗時。通常，用硅片制作成品芯片需要至少6～8周的時間，而光刻在整個生產(chǎn)過程中基本占據(jù)40%～50%的生產(chǎn)時間。

光刻技術(shù)的主要評價因素是高靈敏度，高分辨率，低故障率和精確對準。隨著光刻分辨率的增加，光刻的最小尺寸減小，同時硅芯片中的芯片數(shù)量增加。

光刻工藝可分為3個主要階段：耐光涂層、對準和曝光以及顯影。為了獲得高分辨率，光刻技術(shù)還使用了一些烘烤和冷卻步驟。從光刻工藝的流程來看，它主要包括幾個工藝步驟，如圖3所示。

圖3 光刻工藝的基本流程

1.3.1 氣相成膜

氣相成膜階段又分為產(chǎn)品清洗，烘干及成膜3個階段：

清洗主要是為了去除產(chǎn)品表面的有機和無機污染物、顆粒等。通過濕法的清洗來提高產(chǎn)品表面的潔凈度來增加光刻膠涂布的附著力。去除有機和無機化合物。硅片表面上的顆粒會導(dǎo)致光敏電阻出現(xiàn)孔洞，有機和無機雜質(zhì)會導(dǎo)致光阻粘附問題以及元件和電路故障。

烘干為了去除產(chǎn)品清洗后表面的水汽來增加光刻膠在產(chǎn)品表面的附著力。

成膜是在硅片表面涂上了一層六甲基二硅氮烷（HMDS）提高光刻膠與硅片表面的附著力。

1.3.2 旋轉(zhuǎn)涂膠

在產(chǎn)品表面涂上光刻膠，光刻膠涂布主要有旋涂和刮涂兩種涂膠方式。

1.3.3 軟烤

軟烤是指在90～120℃的溫度下，在熱板加熱烘烤2～3 min。它用于去除耐光性中的溶劑，并固定耐光性的特性。顯影劑耐光性的溶解速度主要取決于耐光性中溶劑的濃度。通常，短烘烤時間或低溫會增加膠水在顯影劑中的溶解速度，并增加靈敏度。然而，這會降低曝光的對比度。

1.3.4 曝光

曝光是光刻工藝中最關(guān)鍵的步驟，曝光決定了掩模的集成電路設(shè)計模型能否成功地轉(zhuǎn)換到產(chǎn)品表面的光刻膠上。

1.3.5 曝光后烘烤

曝光后烘烤可降低耐光性的駐波效應(yīng)，并激活化學(xué)強化效應(yīng)，并激活化學(xué)強化效應(yīng)，使化學(xué)反應(yīng)更加的充分。典型烘烤條件為110~130℃，烘烤時間為幾十秒到兩分鐘不等。

1.3.6 顯影

顯像出光刻在硅片/掩模版上的圖形。

1.3.7 堅膜烘烤

堅膜烘烤可以去除光刻膠中殘留的顯影液和水分，堅固光刻膠，進一步提高光刻膠在產(chǎn)品表面的附著力。

1.3.8 顯影檢查

顯影檢查為了在該階段找出光刻及顯影不合格品，避免后續(xù)蝕刻對原材料造成報廢，檢查中的合格品將進行蝕刻等處理，不合格品將進行去膠清洗繼續(xù)進行氣相成底膜加工。

2 掩模版光刻膠涂布膠厚均勻性影響因素

2.1 涂膠機主軸的旋轉(zhuǎn)速度對膠厚均勻性的影響

涂膠機的主軸轉(zhuǎn)速與薄膠厚度的形狀密切相關(guān)。一般來說轉(zhuǎn)速越高，產(chǎn)品中心光刻膠越薄，邊緣光刻膠越厚。圖4所示，在3 000 r/min轉(zhuǎn)速下，整個產(chǎn)品表面光刻膠厚度相對均一。在實際生產(chǎn)中，我們還根據(jù)產(chǎn)品實際測量的光刻膠厚度分布的形狀調(diào)整速度。然而，涂膠機轉(zhuǎn)速也有一個上限，通常不能夠高于5 000 r/min。由于高速旋轉(zhuǎn)，向下位移增加。當(dāng)速度足夠高，排氣量超過CUP設(shè)備設(shè)置的排氣量時，氣流反向流動，反而不利于得到預(yù)期的光刻膠厚度[4]。

圖4 膠厚形狀與轉(zhuǎn)速關(guān)系

2.2 光刻膠溫度對膠厚均勻性的影響

如圖5所示，光刻膠的溫度對光刻膠涂布的厚度均勻性也存在影響，溫度越高產(chǎn)品中心的膠厚越厚，溫度越低產(chǎn)品中心膠厚越薄[4]。因此在生產(chǎn)過程中需要將光刻膠進行回溫處理，使其溫度基本與凈化房的室溫保持一致（23℃左右），因為此時，光刻膠厚度均勻性也是最佳的。但在實際生產(chǎn)中還要依據(jù)做出的膠厚分布形狀來調(diào)整溫度。

圖5 光刻膠溫度與膠厚形狀關(guān)系

2.3 排氣壓力對膠厚均勻性的影響

排氣壓力也是光刻膠涂布厚度的均勻性重要的影響因素，尤其是在產(chǎn)品邊緣。必須選擇正確的排氣壓力，以獲得具有高均勻性和較小的缺陷。排氣壓力太小會造成邊緣去除劑在產(chǎn)品上的噴霧形成針孔，從而導(dǎo)致光刻膠粘附缺陷，最終導(dǎo)致產(chǎn)品光刻出的圖形存在缺陷。排氣壓力大會使旋轉(zhuǎn)盤邊緣氣流太大而影響光刻膠的厚度[5]。這主要是由于在涂膠粘合過程中是從涂膠設(shè)備腔體邊緣排風(fēng)口進行排風(fēng)，導(dǎo)致產(chǎn)品邊緣排氣壓力較大。當(dāng)排氣壓力到達一定程度后產(chǎn)品邊緣光刻膠表面的溶劑迅速揮發(fā)并干燥，產(chǎn)品邊緣光刻膠內(nèi)部溶劑未能夠充分揮發(fā)，然而產(chǎn)品中心區(qū)域光刻膠表面和內(nèi)部溶劑含量變化較小，從而形成了產(chǎn)品邊緣膠厚、中心膠薄的分布形態(tài)，這種形態(tài)在日常生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)，如圖6所示。

圖6 排風(fēng)結(jié)構(gòu)圖

2.4 涂膠機冷板溫度對膠厚均勻性的影響

冷板的溫度對產(chǎn)品上的膠厚均勻性的影響也是非常明顯的。如圖7所示，當(dāng)溫度越高整個產(chǎn)品邊緣的膠厚就越厚，但相對于邊緣的膠厚來說，中心區(qū)域的膠厚相對比較薄。因此涂膠機的產(chǎn)品冷板盡量使其與光刻膠溫度保持一致，這樣在實際的生產(chǎn)過程中才能夠涂布出理想的膠厚[6]。

圖7 冷板溫度與膠厚圖

3 膠厚均勻性問題的分析

3.1 片內(nèi)均勻性

單張產(chǎn)品片內(nèi)膠厚均勻性不良主要有3個原因。

（1）在產(chǎn)品邊緣極端的變薄。掩模版邊緣極度變薄的一個可能原因是，后沖洗產(chǎn)生的后濺導(dǎo)致大量溶劑積聚在設(shè)備腔體（CUP）底，從而冷卻掩模版的背面。因為溫度對膠厚的影響是非常大的。掩模版邊緣極度變薄的另一種情況是襯底邊緣未進行光刻膠的涂抹工藝。這主要是由于HMDS過多，會導(dǎo)致掩模版表面上的應(yīng)力過大，并導(dǎo)致光阻向掩模版中心收縮[7]。

（2）產(chǎn)品中心的膠厚不均一。有時，掩模版中心的薄膠厚度狀況不佳，這通?？赡苁怯捎趪娮烨岸斯饪棠z硬化或噴嘴不在中心。由于噴嘴不在掩模版中心，光刻膠不會落入掩模版中心就旋轉(zhuǎn)離開。這個問題可以根據(jù)膠厚的程度將光刻膠噴嘴的位置進行校正或者清潔，這樣可以減輕膠厚不均的現(xiàn)象。

（3）膠厚成平滑的單邊下降型。出現(xiàn)此問題的原因通常是掩模版在預(yù)烘烤時有異物導(dǎo)致加熱不均一。有時，這種現(xiàn)象也是由于放置掩模版的支撐臂位置不佳造成的。對于一些溫度敏感的光刻膠，雖然薄膠厚度沒有很大的影響，但它會影響光刻膠的靈敏度。最后，光刻精度會受到影響。因此，必須調(diào)整或清潔預(yù)烘烤烤盤。

3.2 批生產(chǎn)片間均勻性

除了實現(xiàn)單個產(chǎn)品片內(nèi)涂膠厚度均一的目標外，還要求批生產(chǎn)片間的涂膠厚度均一[7]。

（1）膠厚逐步減少。當(dāng)觀察到一批產(chǎn)品中的膠厚在涂布后逐漸減小時，設(shè)備腔體（CUP）溫度和濕度控制器的風(fēng)量可能不足，或者反沖洗（BACK RINSE）-吸收的溶劑將流回涂膠（COATER）模塊。使用高揮發(fā)性溶劑時有時會出現(xiàn)此問題。隨著制造更多的掩模版，廢氣減少或設(shè)備腔體（CUP）中溶劑的成分增加，從而影響膠膜的厚度。此時我們需要檢查風(fēng)速，如果風(fēng)速相對較低，則必須再次調(diào)整，或者減少反沖洗（BACK RINSE）流量并調(diào)整反沖洗（BACK RINSE）的位置。

（2）膠厚循環(huán)性的波動。有時在生產(chǎn)中片間的膠厚出現(xiàn)循環(huán)的波動，這很可能是由設(shè)備腔體（CUP）濕度波動引起。這就要求在生產(chǎn)工藝過程中不斷的對設(shè)備腔體（CUP）濕度進行測量，如果膠厚的變化和濕度的變化一致，就可以明確是因為涂膠腔體（CUP）的濕度變化引起的光刻膠厚的變化。

（3）第一張或前面兩張的產(chǎn)品膠厚比較厚。在一個批次生產(chǎn)中常常是第一張或前兩張產(chǎn)品的膠厚要比后面產(chǎn)品的厚，此時就需檢查涂膠機冷板。往往是涂膠前的冷板運行的時間太短。造成了產(chǎn)品冷卻不充分，使得產(chǎn)品在涂布時溫度偏高影響到膠厚。而后面的產(chǎn)品因為冷板運行時間充分，溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)，這樣徒步的光刻膠厚度較前兩張均勻性好。正常生產(chǎn)中等到冷板的溫度穩(wěn)定后方可對產(chǎn)品進行涂布。因此只要增加設(shè)定的工藝時間就可以很好的解決問題。

4 結(jié)束語

為獲得表面平坦且厚度均勻的光刻膠涂層，需要管控好各種影響因素。通過對影響光刻膠涂膠厚度均勻性的4個關(guān)鍵因素的測試和分析，對每個因素造成膠厚不均勻的原因有了一定的了解和認知，同時對造成片內(nèi)厚度均勻性和片間厚度均勻性低劣的原因進行了詳細的介紹，對于以后在涂膠生產(chǎn)過程中出現(xiàn)膠厚不均勻問題的解決提供了很好的幫助及指導(dǎo)意義。